湖南省耕地資源時(shí)空變化及預(yù)測(cè)分析

摘要：耕地資源對(duì)研究區(qū)域糧食安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)湖南省1996-2008年的耕地面積和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等資料，對(duì)湖南省1996-2008年的耕地變化過(guò)程進(jìn)行全面分析，揭示了湖南省13年來(lái)耕地變化的時(shí)空特征，分析了其變化的主要原因，并利用GM（1，1）模型對(duì)研究區(qū)域耕地的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果表明，1996-2008年湖南省人均耕地面積下降趨勢(shì)明顯，由1996年的0.061 5 hm2/人減少到2008年的0.055 4 hm2/人，耕地變化存在較大的空間差異，13年間耕地變化率最大的是湘西自治州，減少了1.096%，利用主成分分析法可知耕地面積變化驅(qū)動(dòng)力主要在于人口增長(zhǎng)、社會(huì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步三個(gè)方面。同時(shí)根據(jù)研究區(qū)域2011-2020年的耕地面積將繼續(xù)呈下降趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，提出了加大耕地保護(hù)力度，實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡的建議。

關(guān)鍵詞：耕地變化；主成分分析法；GM（1，1）模型；湖南省

中圖分類號(hào)：F327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）10-2671-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.055

Abstract：The cultivated land have an important guiding significance for the study of food security and regional sustainable development. Based on the 1996-2008 data of cultivated land’s quantity and some other social economic factors， the change process of cultivated land from 1996 to 2008 in Hunan province was analyzed， the spatial-temporal characteristics of cultivated land’s change were revealed， and the main reasons of this change was analyzed. Likewise， the trend of cultivated land’s change in the study area was predicted with GM（1，1）model. The results showed that in 1996-2008， the per capita cultivated land in Hunan province decreased from 0.061 5 hm2 to 0.055 4 hm2， and the cultivated land’s change have obvious spatial difference. The fastest decreased region in 13 years was Xiangxi autonomous continent， decreased 1.096%. With the principal component analysis， the driving forces of change of farmland quantity in Hunan province were identified as the development of economy， the advancement of science and technology， and the increase of population. Meanwhile， according to the predicted result that the cultivated land in the study area would continue to decrease from 2011 to 2020， the proposal of taking effective measures of cultivated land protection， to realize the dynamic balance of total arable land was put forward.

Key words：change of cultivated land； principal component analysis； GM（1，1） model； Hunan province

耕地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，耕地資源是土地資源的精華，是最為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料[1]。穩(wěn)定和擴(kuò)大耕地面積，保持耕地總量動(dòng)態(tài)平衡，是穩(wěn)定農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心。耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量的變化，關(guān)系著糧食安全與人類生存大計(jì)[2]，是可持續(xù)發(fā)展和土地利用變化研究的重點(diǎn)[3，4]。國(guó)內(nèi)對(duì)城市或區(qū)域的耕地變化已經(jīng)有了較多的研究成果，有的學(xué)者從耕地變化的驅(qū)動(dòng)力方面進(jìn)行了研究[5-12]，有的從耕地變化與糧食生產(chǎn)能力的關(guān)系上進(jìn)行了探討[13-15]，還有不少學(xué)者關(guān)注耕地質(zhì)量的變化[16-17]。這些研究為充分了解耕地變化趨勢(shì)、保護(hù)耕地提供了參考。湖南省是中國(guó)中部地區(qū)乃至全國(guó)的重要糧食生產(chǎn)基地，本研究根據(jù)湖南省1996-2008年的耕地面積和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等資料，探討其耕地資源的時(shí)空變化規(guī)律，并對(duì)研究區(qū)域耕地的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，以期為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)提供重要參考。也有利于加強(qiáng)土地資源管理，合理利用和保護(hù)耕地資源，可為湖南省相關(guān)土地保護(hù)、土地管理、區(qū)域發(fā)展政策和決策的制定提供參考，進(jìn)而推進(jìn)湖南省“兩型社會(huì)”和“生態(tài)湖南”的建設(shè)。

湖南省位于江南，屬于長(zhǎng)江中游地區(qū)，東為桂東縣黃連坪，西至新晃侗族自治縣韭菜塘，南起江華瑤族自治縣姑婆山，北達(dá)石門縣壺瓶山。東西寬667 km，南北長(zhǎng)774 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°47′-114°15′，北緯24°29′-30°08′。湖南省轄13市和1個(gè)自治州，全省土地總面積21.18萬(wàn)km2，占中國(guó)國(guó)土面積的2.2%，在各省市區(qū)面積中居第10位。本研究耕地面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省國(guó)土資源廳，社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料來(lái)源于同期湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒。

1 耕地動(dòng)態(tài)變化分析

1.1 耕地?cái)?shù)量動(dòng)態(tài)變化時(shí)序

從湖南省1996-2008年耕地變化情況（圖1）可以看出，耕地面積從1996年的3 952 960.77 hm2減少到2008年的3 789 374.17 hm2，13年間共減少耕地163 586.61 hm2，其中耕地面積減少最多的是湘西自治州，共減少26 276.24 hm2；減少最少的是益陽(yáng)市，共減少4 809.81 hm2。隨著耕地總量的不斷減少及人口的大幅增加，人均耕地面積下降趨勢(shì)明顯，由1996年的0.061 5 hm2/人減少到2008年的0.055 4 hm2/人，累計(jì)減少了0.006 1 hm2。已接近聯(lián)合國(guó)警戒線水平（0.053 hm2/人），人口增長(zhǎng)已對(duì)耕地造成巨大壓力。

1.2 湖南省耕地利用結(jié)構(gòu)變化

湖南省耕地包括灌溉水田、望天田、水澆地、旱地和菜地5種類型，其中灌溉水田為主要類型，2008年灌溉水田面積為2 454 557.85 hm2，相對(duì)于1996年的2 504 817.36 hm2，雖然絕對(duì)值減少了50 259.51 hm2，但占耕地比例卻由1996年的63.36%增加到2008年的64.78%，說(shuō)明灌溉水田在國(guó)家政策的保護(hù)下占耕地的比例有一定回升。旱地面積減少較多，由920 198.61 hm2減少到826 850.91 hm2水澆地的面積有一定增加，由1 561.39 hm2增加到2 247.17 hm2（表1），說(shuō)明13年間雖然經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市建設(shè)占用了大量的耕地，但國(guó)家堅(jiān)持耕地與基本農(nóng)田保護(hù)政策，加大了農(nóng)村土地整治力度，從而使大量旱地變成了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田。

1.3 耕地?cái)?shù)量空間分布情況

湖南省14市（州）在1996-2008年間耕地變化存在較大的空間差異，其中13年間耕地面積數(shù)量變化最多的是湘西自治州，減少了26 276.24 hm2，其次是邵陽(yáng)市和岳陽(yáng)市，分別減少21 490.84 hm2和20 413.55 hm2。13年間耕地變化率最大的也是湘西自治州，減少了1.096%，其次是張家界市和婁底市，分別減少0.637%和0.524%。高于全省平均變化率（0.345%）的地區(qū)還有岳陽(yáng)市、邵陽(yáng)市、永州市、郴州市，分別為0.500%、0.430%、0.394%、0.385%。耕地變化比例最小的是衡陽(yáng)市，為0.111%，其次是益陽(yáng)市，為0.144%（表2）。

2 耕地變化驅(qū)動(dòng)力分析

2.1 耕地變化的影響因子確定

為分析湖南省耕地?cái)?shù)量變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，根據(jù)研究區(qū)域的地域特點(diǎn)，本研究遵循綜合性、主導(dǎo)性、指標(biāo)可獲取性等原則，并結(jié)合其他學(xué)者的研究成果[5-12]，選取了以下13個(gè)指標(biāo)。X1為總?cè)丝冢ㄈf(wàn)人），X2為農(nóng)業(yè)人口（萬(wàn)人），X3為地區(qū)生產(chǎn)總值（億元），X4為第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（億元），X5為人均地區(qū)生產(chǎn)總值（元），X6為消費(fèi)品零售總額（億元），X7為全社會(huì)固定資產(chǎn)投資（億元），X8為城市化水平（%），X9為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值（億元），X10為水田水澆地比例（%），X11為農(nóng)民人均純收入（元），X12為農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力（kW），X13為糧食總產(chǎn)（萬(wàn)t），以對(duì)研究區(qū)域耕地的變化情況進(jìn)行綜合分析。

2.2 相關(guān)性分析與主成分分析

由于各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)本身具有不同的量綱和數(shù)量級(jí)，為了讓數(shù)據(jù)在平等的情況下進(jìn)行分析，須進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化公式：

X′i=（Xi-X）/S （1）

式中，Xi′為標(biāo)準(zhǔn)化的值，Xi為原始值，X為數(shù)據(jù)均值，S為標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.1 相關(guān)性分析 將標(biāo)準(zhǔn)化后的自變量因子先同因變量做相關(guān)性分析，從而剔除一部分相關(guān)性不大的變量。運(yùn)算結(jié)果顯示，糧食總產(chǎn)因子的相關(guān)系數(shù)為0.081，絕對(duì)值均小于0.85，因此先將這個(gè)因子剔除，對(duì)剩余的12個(gè)因子做主成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2.2 主成分提取及載荷矩陣計(jì)算 由表4可知，變量相關(guān)矩陣有1個(gè)最大特征根11.429 9，與其相對(duì)應(yīng)的第一主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)95.248 9%，大于85.00%，說(shuō)明主成分已提供了原始數(shù)據(jù)的足夠信息，完全符合分析的要求。

主成分荷載是主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)，由表3可知，第一主成分與X3、X5、X6、X11和X12之間的相關(guān)程度很高，X1、X3、X5、X6、X9、X10和X11分別代表了地區(qū)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、消費(fèi)品零售總額、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力，這5個(gè)因素分別代表人口增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力狀況。據(jù)此，湖南省耕地?cái)?shù)量變化在社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素方面有以下12個(gè)方面的驅(qū)動(dòng)因素（表5）。

2.3 耕地面積變化的驅(qū)動(dòng)力

耕地面積變化的驅(qū)動(dòng)力主要有人口增長(zhǎng)、社會(huì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步3個(gè)方面。湖南省1996年總?cè)丝跒? 428.0萬(wàn)人，2008年增加到6 845.2萬(wàn)人，增加了6.49%；同期耕地面積從3 952 960.77 hm2減少到3 789 374.17 hm2，減少了4.14%，表明人口增長(zhǎng)與耕地的減少成正相關(guān)關(guān)系。地區(qū)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、消費(fèi)品零售總額是反映湖南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合水平的重要指標(biāo)。湖南2008年地區(qū)生產(chǎn)總值為11 156.64億元，是1996年（2 540.17億元）的4.39倍，經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成建設(shè)用地占用耕地。與此同時(shí)，農(nóng)民人均純收入由1996年的1 792.0元提高到2008年的4 512.5元，增加了151.31%；農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力由1996年的1 616.29萬(wàn)kW增加到2008年的4 021.14萬(wàn)kW，增加了2 404.85萬(wàn)kW，這說(shuō)明農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步促使農(nóng)業(yè)內(nèi)部比較效益的作用日益明顯，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整活躍，耕地不斷向其他農(nóng)用地轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致耕地逐年減少。

3 耕地變化預(yù)測(cè)分析

3.1 預(yù)測(cè)方法

耕地面積變化是多因素綜合作用的結(jié)果，灰色系統(tǒng)理論是從宏觀上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽象，經(jīng)過(guò)抽象后的定量模型基本上能反映系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，能為多因素綜合結(jié)果的預(yù)測(cè)提供一個(gè)量化的數(shù)學(xué)工具，GM（1，1）模型通過(guò)建立一階線性微分方程主要用于單因素預(yù)測(cè)，主要步驟為：

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

以1996-2008年湖南省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GM（1，1）模型即式（2）、式（3）預(yù)測(cè)研究區(qū)域2011-2020年耕地面積的變化情況。為了保證預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性，本研究以13年間耕地內(nèi)部三級(jí)地類即灌溉水田、望天田、水澆地、旱地、菜地的數(shù)量為基礎(chǔ)，分別預(yù)測(cè)其2011-2020年的面積變化情況，再將預(yù)測(cè)出的各類耕地面積相加，從而得到耕地面積的變化情況。

通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差來(lái)檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的精度，當(dāng)相對(duì)誤差絕對(duì)值小于3%時(shí)，說(shuō)明模型精度是非常高的[18]。由表6可知，不同類型耕地預(yù)測(cè)模型精確度較高，其中菜地預(yù)測(cè)模型平均誤差值最大，為1%，灌溉水田預(yù)測(cè)模型平均誤差最小，僅為0.1%，所有預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)結(jié)果都為“優(yōu)”，這表明預(yù)測(cè)模型可信度高。同時(shí)結(jié)合湖南省2011年的實(shí)際耕地面積來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，2011年湖南省耕地面積實(shí)際為3 793 380.51 hm2，而根據(jù)表6構(gòu)建的耕地預(yù)測(cè)模型可知，2011年湖南省耕地面積將減少到3 769 930.06 hm2，同時(shí)根據(jù)構(gòu)建的耕地內(nèi)部三級(jí)地類的預(yù)測(cè)模型可以得到2011年湖南省灌溉水田、望天田、水澆地、旱地、菜地面積之和為3 741 655.12 hm2，實(shí)際值與兩種預(yù)測(cè)模型值的相對(duì)誤差分別為0.6%和1.3%，表明預(yù)測(cè)模型精度較高。

根據(jù)表6對(duì)湖南省2011-2020年耕地內(nèi)部三級(jí)地類數(shù)量變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，灌溉水田、望天田、水澆地、旱地面積均出現(xiàn)不同程度下降，變化率分別達(dá)到-1.31%、-3.16%、-5.31%、 -10.4%；菜地面積有所增加。耕地面積總體呈下降趨勢(shì)（表7）。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

1）研究期內(nèi)湖南省耕地資源總量呈逐年下降趨勢(shì)，人均耕地面積也呈下降趨勢(shì)，由1996年的0.061 5 hm2減少到2008年的0.055 4 hm2。

2）主成分分析表明，地區(qū)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、消費(fèi)品零售總額、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力等與研究區(qū)的耕地變化關(guān)系密切，可以歸納為人口、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步三個(gè)方面。

3）通過(guò)建立的灰色模型預(yù)測(cè)耕地面積，結(jié)果顯示湖南省耕地面積呈繼續(xù)下降的趨勢(shì)。

4.2 討論

針對(duì)湖南省的基本情況，提出耕地保護(hù)的對(duì)策措施如下。

1）加大耕地保護(hù)力度，特別是基本農(nóng)田保護(hù)。湖南省耕地減少速度快，土地墾殖率高，且后備資源貧乏，單純靠擴(kuò)大耕地面積是行不通的；而且為減輕湖南省嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害的壓力，在湖區(qū)和山區(qū)還會(huì)有部分耕地退田還湖，退耕還林。所以，湖南省必須加大耕地的保護(hù)力度，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)退耕還林工程，將退耕還林與調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、防治水土流失、保護(hù)和建設(shè)基本農(nóng)田、提高糧食單產(chǎn)、加強(qiáng)農(nóng)村能源建設(shè)相結(jié)合?；巨r(nóng)田保護(hù)范圍內(nèi)的耕地和生產(chǎn)條件較好、實(shí)際糧食產(chǎn)量超過(guò)國(guó)家退耕還林補(bǔ)助糧食標(biāo)準(zhǔn)并且不會(huì)造成水土流失的耕地，不得納入退耕還林規(guī)劃。同時(shí)大力提高復(fù)種指數(shù)，實(shí)現(xiàn)耕地集約利用。

2）加強(qiáng)中低產(chǎn)田改造，提高耕地生產(chǎn)能力。加大改造中低產(chǎn)田力度，不僅可以提高糧食生產(chǎn)能力，而且意味著優(yōu)質(zhì)耕地的增加。針對(duì)障礙因子因地制宜地改造中低產(chǎn)田對(duì)于保障糧食安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展具有重要意義。比如對(duì)于地下水位偏高的地區(qū)要合理布局農(nóng)田灌排設(shè)施，實(shí)現(xiàn)合理灌排，達(dá)到“洪水不進(jìn)田、冷水排出田、肥水不出田”的目標(biāo)，從而有效地降低地下水位，以改善土壤的水、肥、氣、熱狀況；對(duì)于耕作層淺薄的地區(qū)要改革耕作制度，提高復(fù)種指數(shù)，實(shí)行水旱輪作和半旱式栽培，特別要實(shí)現(xiàn)綠肥混播以增加耕地有機(jī)質(zhì)含量和耕作層厚度；對(duì)于缺磷少鉀的地區(qū)則應(yīng)合理施肥，增施磷、鉀肥和補(bǔ)施微肥，加大施用綠肥、堆肥、牛糞、山青等有機(jī)肥。

3）加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，提高耕地利用效益。為促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整，應(yīng)以農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收為目的，以增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力為方向，以結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)為手段，加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。依托資源優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)發(fā)展優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。通過(guò)各地優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)推動(dòng)地方農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，從而提高耕地利用的經(jīng)濟(jì)效益，確保耕地得到長(zhǎng)期有效的保護(hù)。

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